FESTO電磁閥沖蝕仿真分析與試驗(yàn)研究
    FESTO電磁閥安全性嚴(yán)，其終端控制元件的準(zhǔn)確、快速調(diào)節(jié)是*的重要環(huán)，控制結(jié)果必須工藝指標(biāo)要求，衰減比、超調(diào)量不超出工藝允許范圍。對(duì)此，如何選擇適用的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥類型，使之在工藝控制回路中安全、經(jīng)濟(jì)適用，是儀控設(shè)計(jì)和管理人員普遍關(guān)心的問(wèn)題。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選擇般從以下四個(gè)方面考慮：
    1> FESTO電磁閥結(jié)構(gòu)和類型:
    FESTO電磁閥的產(chǎn)品類型很多，結(jié)構(gòu)多種多樣，選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮調(diào)節(jié)功能、泄漏等、耐壓能力、切斷壓差、腐蝕性、沖蝕和汽蝕、性價(jià)比、維護(hù)保養(yǎng)方便程度。從經(jīng)驗(yàn)而言，選擇順序應(yīng)為：?jiǎn)危p）座控制閥、籠式控制閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、蝶閥、角閥、球閥。
    確定 FESTO電磁閥開關(guān)方式的原則是：當(dāng)信號(hào)壓力中斷時(shí)，應(yīng)工藝設(shè)備和的安全。如果閥門在信號(hào)中斷后處于打開位置，流體不中斷安全，則選用氣關(guān)閥；如果閥門在信號(hào)壓力中斷后處于關(guān)閉位置，流體不通過(guò)安全，則選用氣開閥。
    2>流量特性:
    從以下3個(gè)方面內(nèi)容對(duì)閥的工作流量特性進(jìn)行分析：
    1）從控制系統(tǒng)的控制方面分析
    對(duì)于個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，它是由控制對(duì)象、變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥幾個(gè)基本環(huán)節(jié)組成的，系統(tǒng)的總放大系數(shù)K=K1K2K3K4K5,K1-K5分別表示變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥、控制對(duì)象的放大系數(shù)。在負(fù)荷變動(dòng)的情況下，要使控制系統(tǒng)能保持預(yù)定的控制指標(biāo)，希望總放大系數(shù)在控制系統(tǒng)的整個(gè)操作范圍內(nèi)保持不變。般在個(gè)確定的系統(tǒng)里，K1-K3的系數(shù)是固定不變的，只有對(duì)象的放大系數(shù)K隨負(fù)荷的變化而變，K4K5的乘積是個(gè)常數(shù)就了系統(tǒng)的總放大系數(shù)K是個(gè)穩(wěn)定值。
    2）工藝配管情況分析
    FESTO電磁閥總是與管道設(shè)備連在起使用的，管道阻力會(huì)使閥的工作特性與固有特性不同。所以，應(yīng)根據(jù)對(duì)象的特性，選擇合適的工作 特性，再根
    用于調(diào)節(jié)由井底返回的鉆井液壓力, 并向井底提供適當(dāng)?shù)幕貕阂云胶獾貙訅毫? 防止井涌井噴等事故的發(fā)生。高壓節(jié)流閥的損壞會(huì)造成災(zāi)難性的后果, 因此對(duì)其性和安全性的要求較高。沖蝕磨損是高壓節(jié)流閥的主要失效形式。A.C.等采用有限元體積法研究了固體顆粒對(duì)300 MW蒸汽渦輪機(jī)上噴嘴的沖蝕作用, 得出了沖蝕的影響因子有沖擊角、質(zhì)點(diǎn)速度和顆粒直徑等;S.H.等做了液體沖蝕引起管壁變薄的研究;D.W.用金剛石來(lái)提高節(jié)流閥的耐沖蝕;L.N.對(duì)石油閥分別進(jìn)行了模擬分析和試驗(yàn)研究。
    新疆、川渝地區(qū)的油氣資源埋藏較深, 地層壓力大, 產(chǎn)量高。在鉆井過(guò)程中, 井控裝置, 特別是105 MPa節(jié)流管匯在高壓、高產(chǎn)、高固相的惡劣工況條件下, 節(jié)流閥出現(xiàn)不同程度的沖蝕磨損, 引發(fā)安全隱患, 難以滿足井控安全需要。針對(duì)節(jié)流閥沖蝕磨損嚴(yán)重的困局, 急需開105 MPa節(jié)流閥耐沖蝕研究。本文選取了新型筒式節(jié)流閥、楔形節(jié)流閥、孔板節(jié)流閥進(jìn)行了對(duì)比研究。
    1 沖蝕機(jī)理分析
    1) FESTO電磁閥材質(zhì)特點(diǎn)。閥體材質(zhì)為4130, HB197-235;閥芯材質(zhì)均為碳化鎢, HRA90-93。
    2) FESTO電磁閥沖蝕特點(diǎn)。電子顯微鏡觀測(cè)下閥體切片, 出現(xiàn)微切削和犁溝;閥芯沖蝕坑兩邊形成凸起的唇片, 并呈波紋漣漪狀。
    3) 沖蝕理論。綜合分析確定, 微切削模型理論、鍛造擠壓理論能揭示巖屑沖蝕節(jié)流閥的行為。兩套模型理論并非各自獨(dú)立地簡(jiǎn)單拼湊, 而是相互補(bǔ)充, 從不同角度、不同的沖蝕階段來(lái)闡述節(jié)流閥不同位置的沖蝕現(xiàn)象, 進(jìn)而確立節(jié)流閥沖蝕磨損機(jī)理。
    根據(jù)FESTO電磁閥沖蝕機(jī)理, 確定采用如下沖蝕計(jì)算模型[11]:
    FESTO電磁閥為沖蝕磨損速率, kg/ (m2·s) ;C (dpn) 為顆粒直徑的函數(shù), m;f (α) 為顆粒對(duì)靶面攻角的α函數(shù), rad;b (vpn) 是顆粒相對(duì)于靶材面速度的函數(shù), m/s;Awall節(jié)流閥內(nèi)表面單位沖蝕面積,  為顆粒的流量, kg/s;n表示大加重材料顆粒數(shù)。
    2 仿真分析與試驗(yàn)研究
    FESTO電磁閥在混氣重泥漿條件下分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn), 檢驗(yàn)3種類型節(jié)流閥在實(shí)施節(jié)流壓井時(shí)的性、耐沖蝕性和對(duì)井控技術(shù)與井控工藝要求的符合性、適應(yīng)性, 為節(jié)流壓井作業(yè)提供決策依據(jù)。
    1) FESTO電磁閥閥芯采用圓柱形結(jié)構(gòu), 閥芯、閥座均為對(duì)稱結(jié)構(gòu), 閥芯、閥座采用碳化鎢合金, HRA92, 可提高抗沖蝕能力, 且可調(diào)換方向安裝, 其過(guò)流面積與開度如圖1所示。